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Farbstoffe – Einführung

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Die Autor*innen
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André Otto
Farbstoffe – Einführung
lernst du in der 11. Klasse - 12. Klasse - 13. Klasse

Farbstoffe – Einführung Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Farbstoffe – Einführung kannst du es wiederholen und üben.
  • Nenne Struktureigenschaften, die die Farbigkeit von Molekülen verursachen können.

    Tipps

    Stoffe erscheinen farbig, wenn sie Licht im sichtbaren Bereich absorbieren.

    Durch welche Struktureigenschaften sind Moleküle in der Lage sichtbares Licht zu absorbieren?

    Lösung

    Die Farbigkeit von Stoffen hängt mit den strukturellen Eigenschaften der Moleküle zusammen. Grundsätzlich bestimmen zwei Faktoren die Farbigkeit.

    Zum einen werden konjugierte Doppelbindungen benötigt. Je mehr davon in einem System enthalten sind, desto näher kommen sich das niedrigste antibindende Orbital und das höchste bindende Orbital. Wenn sie nah genug sind, dann reicht bereits die Energie des sichtbaren Lichtes aus, um Elektronen in das nächst höhrere Orbital anzuregen. Wird diese Wellenlänge dann dem Licht entzogen, erscheint der reflektierte Teil in der Komplementärfarbe und somit auch die Verbindung.

    Zum anderen können auch funktionelle Gruppen durch ihren elektronenziehenden oder elektronenschiebenden Effekt (+I- oder -I-Effekt) Einfluss auf die Farbigkeit des Moleküls nehmen.

  • Entscheide, ob folgende Gruppen auxochrom oder antiauxochrom sind.

    Tipps

    Auxochrome Gruppen schieben Elektronen in das Molekül.

    Lösung

    Auxochrome und antiauxochrome Gruppen an einem Molekül beeinflussen die Elektronenverteilung im Molekül und somit auch dessen Farbe. Auxochrome Gruppen schieben Elektronen in das System. Dies sind also Gruppen mit freien Elektronenpaaren wie z. B.:

    • $-N(CH_3)_2$,
    • $-NH_2$,
    • $-OH$,
    • $-OCH_3$.
    Diese Gruppen vergrößern das Elektronensystem. Dadurch wird nicht mehr so viel Energie für die Anregung der Elektronen benötigt und das Molekül absorbiert schon in einem größeren Wellenlängenbereich (kleinere Energie). Die Absorption verschiebt sich also mehr in den gelben und roten Bereich des Farbspektrums, wodurch sich eine Farbverschiebung des Stoffes zu Grünblau ergibt.

    Im Gegensazu dazu ziehen antiauxochrome Gruppen die Elektronen aus dem System. Dazu gehören:

    • $-SO_3H$ und
    • $-COOH$.
    Diese Gruppen verursachen eine Farbänderung des Moleküls hinzu Rotgelb, da sie das Elektronensystem verkleinern und so mehr Energie für die Anregung nötig ist.

  • Bestimme die Lichtfarbe, die Eisen(III)chlorid absorbiert.

    Tipps

    Die Farbe, die eine Verbindung besitzt, ist komplementär zum absorbierten Licht.

    Lösung

    Absorbieren Verbindungen Wellenlängen im sichtbaren Bereich, dann erscheinen sie uns farbig. Weißes Licht ist eine Mischung aus allen Lichtfarben. Wenn nun eine bestimmte Wellenlänge davon von einer Verbindung absorbiert wird, dann erscheint das reflektierte Licht ohne diesen Wellenlängenbereich und damit in der Komplementärfarbe.

    Eisenchlorid ist gelb und absorbiert damit also blaues Licht.

  • Erkläre, warum Karotten orange sind.

    Tipps

    Ein farbiger Stoff erscheint immer in der Komplementärfarbe zu der Lichtfarbe, die er absorbiert.

    Lösung

    Carotin ist ein Farbstoff, der zu den Polyenen gehört. Polyene sind ab einer Doppelbindungsanzahl von neun farbig. Grund dafür ist, dass die Molekülorbitale immer dichter zusammenrücken. Das niedrigste antibindende Molekülorbital und das höchste bindende Orbital liegen dann so dicht zusammen, dass bereits die Energie des sichtbaren Lichtes ausreicht, um die Elektronen vom Bindenden in das Antibindende anzuregen. Die Wellenlänge, die zur Anregung nötig war, wird dabei vom Farbstoff absorbiert. Damit ist der reflektierte Teil des Lichtes komplementär zu dem absorbierten Teil. Da vom Carotin hellblaues Licht absorbiert wird, erscheint die Karotte orange.

  • Erkläre, wodurch farbige Stoffe entstehen.

    Tipps

    Das menschliche Auge kann Licht nur im sichtbaren Bereich wahrnehmen.

    Lösung

    Weißes Licht ist eine Mischung aus allen Lichtfarben. Die einzelnen Farben kannst du z.B. erkennen, wenn sich das Licht an einem Prisma bricht. Die einzelnen Lichtfarben haben alle unterschiedliche Energiebeträge. Das kurzwellige Licht ist dabei sehr energiereich und das langwellige Licht energieärmer.

    Trifft nun das weiße Licht auf ein Objekt, wird zur Anregung von Elektronen Licht in einer bestimmten Wellenlänge absorbiert. Der restliche Teil des Lichtes wird reflektiert. Der absorbierte Teil des Lichtes fehlt nun also dem reflektierten Teil. Das Objekt erscheint dann in der Farbe des reflektierten Teils.

  • Beschreibe die folgenden Farbstoffmoleküle.

    Tipps

    Sieh dir die Verbindung an und bestimme das Merkmal der Stoffklasse.

    Lösung

    Chromophore bezeichnen alle farbgebenden Systeme. Sind diese Strukturmerkmale enthalten, können Verbindungen farbig sein. Zu den Chromophoren gehören:

    • Azobenzole: Sie bestehen aus einer Azogruppe $-N=N-$ und daran gebundene Benzolringe. Je nach Substitution entstehen so eine ganze Reihe verschiedener Farbstoffe.
    • Polyene: Besitzen Ringe oder Ketten mehr als neun konjugierte Doppelbindungen, sind auch sie in der Lage sichtbares Licht zu absorbieren und erscheinen farbig.
    • Chinoide Systeme: Sie enthalten einen Ring, an dem zwei Carbonylgruppen gebunden sind.
    • Nitroverbindungen: Sie erhalten ihre Farbigkeit durch ihre funktionelle Gruppe $-NO_2$.

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